流体力学、磁流体力学在天体物理中的应用

杨树伟 刘国钰

主要讨论的是流体及磁体力学在恒星的逐步形成当中吸收以及外泄，在日震学这两个方向上的应用。流体力学和磁流体力学的运用在天体物理学当中是非常广阔的。特别是对于星系的密集波，日冕物质在太阳上的喷发，太阳风与地球磁场相互作用产生的弓形激波，在AGN中巨质量黑洞的吸收过程当中，恒星以及行星的形成过程以及在动力学的研究过程中都不会离开流体以及磁流体力学的应用。因此，在天文物理学的发展中，尤其是在磁流体以及流体力学中有着不可替代的作用。

流体力学磁体力学天体物理日震学恒星形成吸积一、流体及磁流体力学

（一）流体力学

流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体）现象以及相关力学行为的科学。流体的宏观性质主要有粘性、流动性和压缩性。流体不管多小的切向力，只要一直的施加，都可以使流体发生形变，而在静止时不能承受切向力。在流体力学中常会假设流体是不可压缩流体，也就是流体的密度是一定的。气体是可压缩流体，而液体则可以算是不可压缩流体。当然有时候也会假设流体的黏度为零，此时流体即为非粘性流体。气体常常可以认为是非粘性流体。如果流体黏度不为零，那么流体被容器包围（如管子），则在边界处流体的速度为零。但是在天体物理学中，一般情况下遇到的都是可压缩流体，除了极少情况下外。在流体力学中，等离子体是自由电子、带等量正电荷的离子以及中性粒子的集合体，所以等离子体在磁场作用下有特殊的运动规律。等离子体的运动规律的研究在受控热核反应、磁流体发电、宇宙气体运动等方面有广泛的应用。这些对于天体力学的研究有着重要意义。

（二）磁流体力学

磁流体力学是结合经典流体力学和电动力学的方法研究导电流体和磁场相互作用的学科，包括磁流体静力学和磁流体动力学两个分支。磁流体动力学研究电磁场与导电流体相互作用时的运动规律，如各种磁流体动力学流动和磁流体动力学波等。所以液态金属和等离子体都是导电流体。在宇宙中，星际和恒星气体都是等离子体，并且是有磁场的，所以磁流体力学在天体物理、太阳和地球物理中要有逐步运用以及发展。就像超新星和新星的喷发，星际空间没有作用力场的可能性，日冕、耀斑以及黑子受它的影响，还有有关于磁场的起源等等。不知其理论如何可以将其应用于实际。故了解流体及磁流体力学是研究其在天体物理中应用的第一步。初步了解了流体及磁流体力学，那么我们便可以去了解我们本文讨论的话题。首先，我们先研究讨论一下恒星形成中吸积和外流对流体及磁流体力学的应用。

二、恒星形成中吸积和外流

（一）恒星形成的吸积

致密天体由引力俘获周围物质的过程称为吸积。吸积过程广泛存在于恒星的形成中。恒星的形成发生在尘埃云中，尘埃云是星云中重要的物质，是其中较暗的部分，而不是那些灿烂的气体云。在大量观测的支持下，低质量恒星形成的理论，低质量恒星是转动的分子云因密度逐渐升高而造成重力塌缩下形成的。通过上面的理论研究，尘埃和气体组成转动中的分子云，因塌缩导致吸积盘的形成，经由这个通道质量在中心形成原恒星。但是，质量高于8倍太阳质量的恒星形成的历程目前还不清楚。所以说质量不同的恒星形成的历程是不一样的。质量大的恒星会推挤向中心掉落的物质，是因为辐射出大量的辐射。在过去的研究中，辐射压被认为是足够阻止质量累积成为巨大的原恒星，而且还能阻止质量达几十个太阳的恒星形成。但是最近的理论工作则显示，产生的流出物和喷流会清理出空洞，因而许多大质量原恒星的辐射压不会阻碍物质经由吸积盘进入中心的原恒星而是会逃逸掉。因此新的理论认为大质量恒星也会经历和低质量恒星相似的历程形成。

（二）恒星形成的外流

由于磁通量和角动量守恒原理，最终成为恒星组成部分的物质并不能直接落到中心星上，而是落在吸积盘上，吸积盘通过一系列复杂的过程，将多余的角动量向外传递。质量外流在剩余的物质驱逐过程当中存在，星风和外流的作用让恒星构成的剩余物质和中心星相远离，星周性的物质和盘物质变得越来越少，有关于外流的张角逐渐变大.对于中心星来说都不会有实质性的增长，较多的是静止收缩状态，但是，中心星依旧要从盘中吸取物质而且它的速度现在已经变得越来越小。因为盘分带走了所有的角动量，所以MRI在这种情况是基本不需要的，但是他们却都要求要有足够的中性气体的耦合和电离保持磁场。磁场的位型大致有两种，一种是杂乱的磁场，而另一种是有序磁场。最初的分子云的磁场俘获在最终形成的恒星上只有小部分。而且这些磁场不是星际磁场遗迹造成的，而是有可能是由于恒星发电产生的。所以基于这些理论有许多的不确定因素，我们需要更多的实践，特别是观测来证实理论的正确与否。

三、在日震学方面的运用

日震学是研究波振荡，特别是声波压力，在太阳上的传播。所有的振荡是重叠的，这是来自太阳光谱的时间系列显示，而且成千上万的模式已经被检测。在数学技术中的傅立叶分析被用来将这一大堆的资料恢复为个别模式的资讯。这个方法是可以将任何的周期函数f写成最简单的周期函数的总合，也就是不同频率的余弦和正弦倍数的结合。

太阳表面强度随时间的变化。太阳的表面亮度的变化表明太阳的震荡是一直存在的。而且大振幅总是以小振幅开始和结束。因为不是由米粒组织的对流超射的激发的，所以震荡的出现并不是突然的。

大多数的太阳模型是非径向的，而最简单的分析模式则是径向的。不过一个非径向模型的特征是三个波数：径向状态 n，反映了在径向方面的属性。方位顺序 m和球谐度 I，这是用来测定恒星表面上的行为模式。但是要注意的是太阳如果是球对称，方位顺序将呈现衰退；但是，太阳的自转 （连同其它的扰动）导致赤道突起，增加了此种衰退。依照规律，n对应于径向本征函数节点的数目，I表示在球面上结线的总数，m告诉我们有多少的节点线跨越了赤道。

四、总结

流体力学是连续介质力学的一门分支，是研究流体（包含气体及液体）现象以及相关力学行为的科学。而磁流体力学则是研究导电流体与电磁场相互作用的学科，它在天体物理学中的应用，便形成了宇宙磁流体力学，这是理论天体物理学的一个分支。流体及磁体力学在天体物理中的运用是涉及许多方面的，因此在天文物理学的发展中，尤其是在磁流体以及流体力学中有着不可替代的作用。

参考文献：

[1]吴其芬，李桦.磁流体力学.国防科技大学出版社，2007.

[2]Lynden-BellD，PringleJ.E，The Envelope of viscous discs and the origin of the nebular variables.1974.

[3]黄润乾，李焱.恒星振动理论.科学出版社，1990.